开关电源电磁干扰(EMI)分析及其抑制措施

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<div class="content"><p align="center"><font color="#ff0000">开关电源电磁干扰分析及其抑制</font> </p><p align="center"><font color="#ff0000">刘栋良1，崔丽丽2</font> </p><p align="center"><font color="#ff0000">(1 浙江大学电气工程学院，浙江&nbsp;&nbsp;&nbsp; 杭州&nbsp;&nbsp;&nbsp; 310027）</font> </p><p align="center"><font color="#ff0000">(2 内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古&nbsp;&nbsp;&nbsp; 呼市&nbsp;&nbsp;&nbsp; 010062）</font> </p><p>摘要：在介绍反激式开关电源及其性能的基础上，讨论了该电源中的网侧谐波及抑制，开关缓冲、光电隔离等问题。 </p><p>关键词：<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">噪声</font></a>；<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">高次谐波</font></a>；<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">电磁干扰</font></a> </p><p>0&nbsp;&nbsp;&nbsp; 引言 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 功率开关器件的高额开关动作是导致开关电源产生电磁干扰(EMI)的主要原因。开关频率的提高一方面减小了电源的体积和重量，另一方面也导致了更为严重的<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">EMI</font></a>问题。如何减小产品的EMI，使其顺利通过FCC或IEC1000等EMC标准论证测试，已成为目前急须解决的问题。 </p><p>1&nbsp;&nbsp;&nbsp; EMI分析 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 具体电路如图1所示。 </p><p align="center"><img height="396" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/tu/Ldl1&#46;gif" width="592" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图1&nbsp;&nbsp;&nbsp; Flyback反激式电源电路</font> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 输入为交流220V，经功率二极管整流桥变为直流作为反激变换器的输入，输出为三组直流：＋5V，15V，12V，另外有一辅助电源5V，用来给光耦PC817供电。控制电路用反馈控制，选用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 开关电源工作时，其内部的电压和电流波形都是在非常短的时间内上升和下降的，因此，开关电源本身是一个噪声发生源。开关电源的干扰按<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">噪声源</font></a>种类分为<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">尖峰干扰</font></a>和<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">谐波干扰</font></a>两种。使电源产生的干扰不至于对电子系统和电网造成危害的根本办法是削弱噪声发生源，或者切断电源噪声和电子系统、电网之间的耦合途径。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 本电路中，交流输入电压Ui经功率二极管整流桥变为正弦脉动电压，经电容C12平滑后变为直流，但电容电流的波形不是正弦波而是脉冲波。如图2所示。 </p><p align="center"><img height="184" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/tu/Ldl2&#46;gif" width="246" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图2&nbsp;&nbsp;&nbsp; 电容侧的电流电压波形</font> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 由图2中电流波形可知，电流中含有高次谐波。大量电流谐波分量流入电网，造成对电网的谐波污染。另外，由于电流是脉冲波，使电源输入<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">功率因数</font></a>降低。 </p><p>2&nbsp;&nbsp;&nbsp; <a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">EMI的抑制</font></a> </p><p>2&#46;1&nbsp;&nbsp;&nbsp; 高次谐波的抑制 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在电路中采用共模扼流圈<i>L</i>₁₁来抑制高次谐波。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 对开关电源二根进线而言，存在<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">共模干扰</font></a>和<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><font color="#8a9cbd">差模干扰</font></a>，如图3（a）及图3（b）所示。 </p><p align="center"><img height="83" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/tu/Ldl3&#46;gif" width="358" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">（a）差模干扰&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; （b）共模干扰</font> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图3&nbsp;&nbsp;&nbsp; <a><font color="#8a9cbd">电源进线的共模干扰和差模干扰</font></a></font> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在差模干扰信号作用下，干扰源产生的电流<i>i</i>，在磁芯中产生方向相反的磁通<i>Φ</i>，磁芯中等于没有磁通，线圈电感几乎为零。因此不能抑制差模干扰信号。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在共模干扰信号作用下，两线圈产生的磁通方向相同，有相互加强的作用，每一线圈电感值为单独存在时的两倍。因此，这种接法的电磁线圈对共模干扰有很强的抑制作用。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 电路中在电网与整流桥之间插入一<a><font color="#8a9cbd">共模扼流圈</font></a>，该扼流圈对电网频率的差模网侧电流呈现极低的阻抗，因而对电网的压降极低；而对电源产生的高频<a><font color="#8a9cbd">共模噪声</font></a>，等效阻抗较高，因而可以得到希望的插入损耗。 </p><p>2&#46;2&nbsp;&nbsp;&nbsp; 扼流圈<i>L</i>₁₁与<i>C</i>₁₁组成低通滤波器 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 扼流圈<i>L</i>₁₁的等效电感为<i>L</i>，以电源端作为输入，电网方向作为输出，则电路图如图4所示。 </p><p align="center"><img height="102" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/tu/Ldl4&#46;gif" width="210" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图4&nbsp;&nbsp;&nbsp; 输入输出关系</font> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 其传递函数为 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; <i>G</i>(<i>s</i>)=<img height="24" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/IMAGE/06010127&#46;JPG" width="11" />=<img height="37" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/IMAGE/06010128&#46;JPG" width="73" />（1） </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 幅值为 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; <i>A</i>(<i>ω</i>)=|<i>G</i>(j<i>ω</i>)|=<img height="40" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/IMAGE/06010129&#46;JPG" width="125" />（2） </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 相位为 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; <i>L</i>(<i>ω</i>)=201g<i>A</i>(<i>ω</i>)=－201g<img height="27" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/IMAGE/06010130&#46;JPG" width="122" />（3） </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在低频段<i>ω</i>&lt;&lt;<img height="24" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/IMAGE/06010131&#46;JPG" width="22" />时，<i>A</i>(<i>ω</i>)≈1，<i>L</i>(<i>ω</i>)≈0 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在高频段<i>ω&gt;&gt;</i><img height="24" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/IMAGE/06010132&#46;JPG" width="22" />时，<i>A</i>(<i>ω</i>)≈<img height="24" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/IMAGE/06010133&#46;JPG" width="34" />，<i>L</i>(<i>ω</i>)≈－401g<i>ωLC</i>₁₁如图5所示。由此可见，以上<i>LC</i>网络组成的低通滤波器，可滤除<i>ω</i>₀=1/<i>LC</i>₁₁以上的高次谐波。 </p><p align="center"><img height="197" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/tu/Ldl5&#46;gif" width="237" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图5&nbsp;&nbsp;&nbsp; 低通滤波器幅频响应</font> </p><p>2&#46;3&nbsp;&nbsp;&nbsp; <a><font color="#8a9cbd">共模和差模滤波器方案</font></a> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 本电路主要的EMI问题是电源噪声传入电网，将原来的共模扼流圈<i>L</i>₁₁与电容<i>C</i>₁₁及<i>C</i>₁₂组成的滤波电路变为如图6所示电路。<i>L</i>₁，<i>L</i>₂，<i>C</i>₁可除去差模干扰，<i>L</i>₃，<i>C</i>₂，<i>C</i>₃可除去共模干扰。<i>L</i>₁，<i>L</i>₂为不易磁饱和的材料；<i>C</i>₁可选陶瓷电容；<i>L</i>₃为共模扼流圈；选定<i>C</i>=<i>C</i>₂=<i>C</i>₃及截止频率fo，则可根据<i>L</i>₃=1/〔(2π<i>f</i>_o)2<i>C</i>〕计算<i>L</i>₃；选定<i>C</i>₁及截止频率fo，可根据<i>L</i>₁=<i>L</i>₂=1/〔2(2πfo)2C1〕计算<i>L</i>₁及<i>L</i>₂。 </p><p align="center"><img height="115" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/tu/Ldl6&#46;gif" width="300" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图6&nbsp;&nbsp;&nbsp; 新的滤波电路</font> </p><p>2&#46;4&nbsp;&nbsp;&nbsp; 缓冲电路 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 由于开关的快速通断，开关电流、电压波形为脉冲形式，产生噪声污染，增大了电源输出纹波，影响了电源的性能。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在电路中，输入为交流220V，经整流后电容上的电压约为交流有效值的1&#46;2～1&#46;4倍，即最大时为<i>U</i>_cm=220×1&#46;4=308V。另外，变压器副边折合到原边的电压<i>U</i>_p=<i>U</i>_n×88/9，<i>U</i>_n取副边第一绕组的电压，一般为9V左右，使稳压输出为5V。则<i>U</i>_p=88V。因此，开关关断时所要承受的总电压<i>U</i>_t=<i>U</i>_cm＋<i>U</i>_p=308＋88=396V。可见有必要对开关进行过压保护。电路选用的TOPSwitch开关芯片，其内部有过压保护和缓冲电路。为保险起见，还增加了外部的缓冲电路，由<i>R</i>和<i>C</i>组成。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 未加入缓冲电路和加入缓冲电路之后开关管电压<i>u</i>_t和管电流<i>i</i>_c及关断功耗<i>p</i>_t的波形如图7(a)及图7（b）所示。加<i>RC</i>缓冲电路后，开关电压上升速率变慢，噪声减弱，抑制了EMI，并且开关功耗变小，使管子不致因过流过热而损坏。缓冲电路中的R在开关开通，电容<i>C</i>放电时起限流作用，避免对开关管的冲击。 </p><p align="center"><img height="207" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/406/tu/Ldl7&#46;gif" width="368" border="0" /></p><p align="center"><font color="#0000ff">（a）没加缓冲电路的波形（b）加缓冲电路的波形</font> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图7&nbsp;&nbsp;&nbsp; 开关管电压和电流波形</font> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 对于开关开通时的电流冲击，由于有变压器原边线圈<i>N</i>_p的限流，在电路中没加限流电感。 </p><p>2&#46;5&nbsp;&nbsp;&nbsp; 光电隔离 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; Flyback电路中使用PC817光耦对主电路和控制电路进行隔离。电源电路中，开关的控制非常重要，精度、稳定性要求高，且控制电路对噪声敏感，一旦有噪声，控制电路中的控制信号就会紊乱，严重影响电源的工作和性能。因此，用PC817将电源中的两部分进行隔离，这样便防止了噪声通过传导的途径传入到控制电路中。 </p><p>3&nbsp;&nbsp;&nbsp; 结语 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 通过<a><font color="#8a9cbd">EMI</font></a>分析及采用相应的抑制方法，设计的开关电源具有抗电磁干扰性强，电源稳定性高的特点。在缝纫机伺服控制系统中，满足了对三菱模块（IPM）的驱动控制，使电机运行安全可靠、稳定。 </p><p>　</p><p>作者简介 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 刘栋良（1977－），男，博士，研究方向为电力电力与电力传动，智能控制等。</p></div>